Quá trình này xảy ra bên ngồi tế bào,các hợp chất cao phân tử dưới sự tác động của các enzyme ngoại bào do vi sinh vật tiết sẽ ra bị thuỷ phân thành các chất đơn giản cĩ khối lượng phân tử nhỏ hơn để cĩ thể đi qua màng vào bên trong tế bào chất.
- Hydrocacbon: (tinh bột, glucogen…) quá trình thuỷ phân của chất bột tương đối đơn giản hơn chất đạm, béo, dưới tác dụng của enzyme amilaza tinh bột bị thuỷ phân thành các đường đơn giản, cụ thể theo phương trình sau:
+ Nếu cĩ nhiều oxy:
(C6H10O5)n → n C2H12O6 → 6CO2+ 6H2O + 674 Kcal + Nếu cĩ ít oxy:
n(C6H10O5) → n C6H12O6 → 2n C2H5OH + 2n CO2 + 24 Cal Và C2H5OH → CH2COOH
- Protein: bị thuỷ phân thành các hợp chất đơn giản hơn là các polypeptit, oligopeptit. Các chất này được tiếp tục thuỷ phân thành các acid amin nhờ men peptidaza ngoại bào hoặc được tế bào hấp thụ, sau đĩ được phân huỷ tiếp trong tế bào thành các acid amin.
- Lipid: bị thuỷ phân chậm hơn so với hydratcacbon và protein, quá trình thủy phân tiến hành từ từ,dưới tác dụng của enzyme lipase, lipid kết hợp với 1 phân tử nước giải phĩng 1 acid béo rồi kết hợp với phân tử nước thứ hai, thứ ba và giải phĩng acid béo thứ hai rồi thứ ba tạo thành glycerin và các acid béo.
Protein
Enzyme phângiải
Protein ngoại bào
Polypeptide Olygopeptid
Peptidaza
CH2OOCR1 CH2OH │ │
CHOOCR2 + H2O → CHOOCR2 + HOOCR1 │ │
CH2OOCR3 CH2OOCR3
CH2OH CH2OH │ │
CHOOCR2 + H2O → CHOH + HOOCR2 │ │
CH2OOCR3 CH2OOCR3
CH2OH CH2OH │ │
CHOH + H2O → CHOH + HOOCR2 │ │
CH2OOCR3 CH2OH
Glyxerin Acid béo
Giai đoạn thuỷ phân các chất hữu cơ cĩ thể biểu diễn ngắn gọn như sau:
Hình 4.1 Tiến trình thuỷ phân của vi sinh vật trong nước thải 4.2.2 Giai đoạn oxy hố
Quá trình oxi hố – khử do hệ enzyme nội bào xúc tác – Xitocrom và Xitocromoxidaza. Các enzyme oxi hố – khử này gồm cĩ 2 cấu tử: nhĩm chính và nhĩm phụ. Nhĩm phụ - coenzyme, là flavin – adenine – dinucleotid (FAD). Các enzyme này tách H+ ra khỏi phân tử enzyme kết hợp với oxy tạo thành nước, nhờ
Các chất hữu cơ trong nước thải
Lipid
Hydratcacbon Protein
Acid béo
cĩ oxy và nước mà các phản ứng oxy hố khử giữa các nguyên tử cacbon mới xảy ra được. Hệ thống enzyme này rất quan trọng, vì chúng xúc tác cho các phản ứng oxi hố – khử đảm bảo cho đời sống và phát triển của các vi khuẩn hiếu khí cĩ chuỗi hơ hấp nội bào.
Giai đoạn này biến những chất đơn giản thu được sau giai đoạn thuỷ phân thành những chất 2 carbon là acetyl CoA. Acetyl CoA được coi là sản phẩm thối hố của các chất glucid, lipid và protein. Nĩ được hình thành do sự β – oxi hố acid béo, do sự oxy hố của khoảng một nửa số α – amino acid cũng như do sự oxy hố hiếu khí glucose. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Acetyl CoA được hình thành ở giai đoạn này sẽ bị oxy hố hồn tồn trong chu trình Krebs (chu trình citrate) để hình thành CO2, H2O và giải phĩng năng lượng. Phần lớn năng lượng được giải phĩng ở giai đoạn này (khoảng 2/3 tổng năng lượng của quá trình).
Trong giai đoạn này, khoảng 30 – 40% năng lượng hố học được biến thành nhiệt và hơn 60% năng lượng được sử dụng để tổng hợp các hợp chất cao năng (ATP). Trong chu trình citrate, các hydro tách ra sẽ được oxy hố qua chuỗi hơ hấp để tạo nên năng lượng và H2O. Năng lượng giải phĩng được tích trữ ở các phân tử ATP. Tồn bộ quá trình được minh hoạ bằng sơ đồ trên hình 4.2.
Hình 4.2 Tiến trình oxy hố sinh học của vi khuẩn
4.3 VI SINH VẬT HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ
4.3.1 Các nhĩm vi sinh vật chủ yếu trong giai đoạn thuỷ phân
Các nhĩm này được gọi chung là vi khuẩn thuỷ phân, chúng rất đa dạng về chủng loại và cĩ khả năng tiết ra enzyme đặc hiệu để phân huỷ cơ chất trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ khác nhau. Bởi vì những nhĩm vi khuẩn khác nhau thì sinh sản theo các phương thức khác nhau, thời gian tồn tại của tế bào ngắn hoặc dài khác nhau nên hiệu quả phân huỷ thay đổi phụ thuộc vào số lượng vi khuẩn và enzyme đặc hiệu tương ứng với cơ chất.
Các chất hữu cơ trong nước thải
Hydratcacbon Lipid Protein
Đường đơn Acid béo Amino acid
Acetyl CoA
Chu trình Krebs
CO2 H2O Năng lượng Pyruvate
Trong quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ, để vi sinh vật cĩ thể sử dụng được, chất nền đơn giản phải là chất hồ tan, cĩ cấu trúc đơn giản và dễ dàng đi vào tế bào vi khuẩn. Ví dụ, các chất nền đơn giản như acetate (CH3COOH), ethanol (CH3CH2OH) và glucose (C6H12O6), những chất này cĩ thể bị phân huỷ bởi enzyme nội bào dễ dàng. Bên cạnh đĩ, một số chất nền phức tạp khác là những chất khơng tan được hoặc ít tan, cĩ cấu trúc phức tạp và khơng thể đi vào tế bào vi khuẩn trực tiếp được. Ví dụ như cellulose, lipid (chất béo và dầu), protein và disaccharide (lactose và maltose). Những chất này cần phải được thuỷ phân thành các chất đơn giản hơn rồi mới cĩ thể được vi sinh vật phân giải.
Vi khuẩn thuỷ phân chủ yếu là vi khuẩn Gram dương, hình que, sống hiếu khí hoặc kỵ khí, cĩ khả năng phân huỷ các chất ít tan và các chất phức tạp như thuỷ phân cacbonhydrate thành đường, thuỷ phân lipid thành acid béo và glycerin, thuỷ phân protein thành acid amin. Để làm được điều này, các vi khuẩn thuỷ phân cĩ khả năng sản xuất ra enzyme ngoại bào đặc hiệu như amilaza thuỷ phân tinh bột, lipase thuỷ phân lipid, proteaza thuỷ phân protein. Chất cĩ phân tử càng phức tạp thì thời gian thuỷ phân càng dài.
Giai đoạn thuỷ phân thực hiện 2 nhiệm vụ quan trọng trong các cơng trình xử lý sinh học. Thứ nhất, giai đoạn thuỷ phân làm nhiệm vụ biến đổi và hồ tan các cơ chất phức tạp thành cơ chất đơn giản bởi vì vi sinh vật chỉ cĩ thể hấp thụ và phân giải các cơ chất ở dạng hồ tan mà thơi. Thứ hai, trong bất kỳ cơng trình xử lý sinh học nào cũng tồn tại một số lượng nhất định các vi khuẩn bị chết và giai đoạn thuỷ phân sẽ hồ tan và phân giải các thành phần tế bào đã chết đĩ, do vậy tránh được sự tích luỹ các tế bào (chết) này.
Trong xử lý sinh học, sự thuỷ phân chất nền phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Tính đa dạng về lồi của các vi khuẩn và enzyme tương ứng.
- Số lượng enzyme tiết ra cĩ đủ hay khơng.
- Các điều kiện vận hành cĩ nằm trong khả năng cho phép hay khơng. - Cấu trúc phân tử của chất nền.
Các chất nền cĩ độ hồ tan cao và cấu trúc đơn giản được thuỷ phân trước. Ví dụ, đường là chất được phân giải trước vì các điều kiện sau:
- Tất cả các ezyme xúc tác cần thiết đã cĩ sẵn trong mơi trường.
- Tốc độ phản ứng sinh hố nhanh.
- Điều kiện sống thuận lợi cho vi khuẩn.
Các chất như kitin, chất béo được thuỷ phân chậm hơn.
Vi sinh vật thuỷ phân tinh bột
Trong nước thải cĩ rất nhiều nhĩm vi sinh vật cĩ khả năng thuỷ phân tinh bột. Một số vi sinh vật cĩ khả năng tiết ra mơi trường đầy đủ các loại enzyme trong hệ
enzyme amilaza như một số loại nấm thuộc chi Aspergillus, Fusarius, Rhizopus, Actinomyces… Trong nhĩm vi khuẩn cĩ một số lồi thuộc chi Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas, Azotobacter… Xạ khuẩn cũng cĩ một số chi cĩ khả năng phân huỷ
tinh bột.
Đa số các vi sinh vật khơng cĩ khả năng tiết đầy đủ hệ enzyme amilaza phân huỷ tinh bột. Chúng chỉ cĩ thể tiết ra mơi trường một hoặc một vài men trong hệ đĩ. Ví
dụ như các lồi Aspergillus candidus, A. niger, A. oryzae, Bacillus subtilis, B. mesenterices, Clostridium pasteurianum, C. butiricum… chỉ cĩ khả năng tiết ra mơi trường một loại enzyme α – amilaza. Các lồi Aspegillus oryzae, Clostridium acetobutilicum… chỉ tiết ra mơi trường β – amilaza. Một số lồi khác chỉ cĩ khả
năng tiết ra mơi trường enzyme glucoamilaza. Các nhĩm này liên kết với nhau trong quá trình phân huỷ tinh bột thành đường. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giống Pseudomonas là những trực khuẩn gram âm, chuyển động do cĩ tiên mao
mọc ở một đầu. Trực khuẩn cĩ thể là hình que thẳng hoặc hơi cong, khơng tạo thành bào tử và phát triển ở điều kiện hiếu khí. Nhiều lồi của giống này ưa lạnh, nhiệt độ tối thiểu là -2 đến 5oC, tối thích là 20 – 25oC. Tất cả Pseudomonas đều cĩ
hoạt tính amilaza và proteaza, đồng thời lên men được nhiều loại đường và tạo
màng nhầy, pH mơi trường dưới 5,5 sẽ kìm hãm vi khuẩn Pseudomonas phát triển
và kìm hãm sinh tổng hợp proteaza. Nồng độ muối trong nước tới 5 – 6% thì sinh trưởng của vi khuẩn này bị ngừng trệ.
Vi khuẩn Bacillus cũng tồn tại khá lâu trong nước thải và phân huỷ được nhiều
dạng các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là protein và tinh bột. Là trực khuẩn rất phổ biến
mesentericus (trực khuẩn cỏ khơ). Chúng cĩ hình que, gram dương, sinh bào tử
đứng riêng rẽ hoặc kết thành chuỗi hoặc thành sợi, là giống sinh bào tử, sống hiếu
khí hoặc kỵ khí tuỳ tiện, thường sinh enzyme proteaza và amilaza. Hai lồi Bacillus
này tăng trưởng trong khoảng nhiệt độ từ 5 - 50oC cĩ nhiệt độ sinh trưởng thích hợp là 35 – 45oC. Ở mơi trường cĩ pH dưới 4,5 chúng ngừng phát triển.
Vi sinh vật thuỷ phân protein
Muốn phân giải protein, cũng giống như các hợp chất cao phân tử khác, đầu tiên các vi sinh vật phải tiết ra các men phân giải protein ngoại bào và làm chuyển hố protein thành các hợp chất cĩ phần tử nhỏ hơn (các polypeptide, olygopeptid). Các chất này tiếp tục được phân huỷ thành acid amin nhờ các men peptidaza ngoại bào. Cĩ rất nhiều lồi vi sinh vật tham gia phân huỷ protein, trong đĩ đáng chú ý là các lồi sau:
- Vi khuẩn: Bacillus mycoides, B. mesentericus, B. subtilis, B.cereus, B. megaterium, Proteus vulgaris, Chromobacterium prodigiosum, Pseudomonas fluorescens, P. aeruginosa, Alcaligenes, Flavobacterium …
- Xạ khuẩn và nấm: Streptomyces griseus, S. rimosus, S. fradiae, Aspergillus oryzae, A. flavus, Penicillium camemberti, Ceplialothecium…
Vi sinh vật thuỷ phân lipid
Lipid (este phức tạp của glycerin và acid béo) được nhiều lồi vi khuẩn sử dụng. So với các cơ chất khác thì đây là cơ chất được thuỷ phân với tốc độ chậm. Bước đầu tiên để phân huỷ lipid là phân giải chúng thành glycerin và các acid béo được xúc tác nhờ enzyme lipase nội bào hoặc ngoại bào.
Các vi sinh vật tham gia thuỷ phân lipid chủ yếu là các lồi sau: Pseudomonas, Vibrio, Sarcina, Serratina, Bacillus, Achromobacter, Micrococus…
Vibrio là vi khuẩn hiếu khí tuỳ tiện, phần lớn thuộc gram âm, hình dạng thuộc phảy
khuẩn, cĩ khả năng di động nhanh và khơng tạo bào tử.
Serratina tế bào cĩ hình cầuphân cách theo 3 mặt phẳng trực giao với nhau tạo thành những khối từ 8 - 16 tế bào (hoặc nhiều hơn nữa), khơng cĩ khả năng di động và khơng sinh bào tử.
4.3.2 Các nhĩm vi sinh vật oxy hố cơ chất
Một số vi sinh vật vừa đảm nhiệm chức năng thuỷ phân cơ chất đồng thời oxy hố cơ chất. Trong khi đĩ, một số nhĩm vi sinh vật khác chỉ cĩ thể oxy hố cơ chất mà thơi.
Vi sinh vật oxy hố đường đơn
Các nhĩm vi sinh vật hiếu khí cĩ khả năng phân huỷ triệt để các loại đường đơn thành CO2 và H2O qua chu trình Krebs.
Các lồi vi khuẩn điển hình cĩ khả năng oxy hố các loại đường đơn là
Sphaerotilus natans, S. discophorous, Azotobacter, Beijerinckia, và một số chủng
Bacillus như Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus, Bacillus megatherium, Bacillus mycoides…
- Sphaerotilus natans là vi khuẩn Gram âm, khơng sinh bào tử, hình que, kích
thước khoảng 4 – 10 μm, bên ngồi cĩ vỏ bọc dày. Vỏ là phức protein – polysaccharide – lipid được bao bọc xung quanh tế bào được cấu tạo từ polysaccharide đơn giản hơn với thành phần chất dinh dưỡng khơng ổn định. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Azotobacter cĩ tế bào từ hình que tới hình cầu, khi cịn non tế bào cĩ hình que
với kích thước khoảng 2 – 7 μm, di động nhờ tiên mao mọc khắp cơ thể, khi già tế bào mất khả năng di động, kích thước thu nhỏ lại như hình trịn, là lồi ưa mặn. Chúng cĩ khả năng vừa thuỷ phân tinh bột đồng thời oxy hố các loại đường đơn.
Vi sinh vật oxy hố amino acid
Quá trình phân giải amino acid chỉ cung cấp một phần nhỏ năng lượng. Để oxy hố các amino acid trước hết phải làm mất nhĩm NH2, sản phẩm của quá trình oxy hố này là CO2 và H2O qua chu trình Krebs. Do đĩ, về tổng thể quá trình phân giải amino acid khơng khác quá trình phân giải glucose và acid béo, chỉ khác là amino acid cĩ chứa nhĩm NH2.
Sau quá trình oxy hố các amino acid, NH2 bị khử thành NH3 hoặc NH4+ nhờ nhĩm vi khuẩn amin hố. Sau đĩ, NH4+ bị oxy hố thành NO2- nhờ nhĩm vi khuẩn nitrit hố. Cuối cùng, NO2- tiếp tục bị oxy hĩ thành NO3- nhờ vi khuẩn nitrate hố.
Các lồi vi sinh vật cĩ khả năng oxy hố các amino acid điển hình như:
Leuconostoc citrovorum, Staphylococus, Lactobacterium casei, Streptococus fuecalis, Arozobacter, Beijerinckia, Bacillus faecalis, Proteus zenkerii …
Beijerinckia là lồi vi khuẩn hiếu khí, tế bào cĩ hình dạng khơng ổn định, thuộc vi
khuẩn Gram âm,khơng sinh bào tử, là lồi cĩ khả năng chịu được trong mơi trường cĩ độ chua cao. Chúng cĩ khả năng thuỷ phân tinh bột và oxy hố các acid amin cao.
Streptococcus là vi khuẩn hiếu khí, tế bào cĩ dạng hình cầu,chúng phân cách theo một mặt phẳng xác định và dính với nhau thành từng chuỗi một dài, thuộc vi khuẩn Gram dương. Khơng cĩ khả năng di động và khơng sinh bào tử. Chúng cĩ khả năng thuỷ phân protein, đồng thời cĩ khả năng oxy hố các amino acid.
Các vi khuẩn nitrate hố điển hình là các lồi:
- Nhĩm vi khuẩn nitrit hố bao gồm 4 chi khác nhau: Nitrozomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus và Nitrosospira. Chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, khơng
cĩ khả năng sống trên mơi trường thạch nên phải dùng silicagel khi phân lập.
- Nhĩm vi khuẩn nitrate hố bao gồm 3 chi khác nhau: Nitrrobacter, Nitrospira và Nitrococcus. Ngồi ra, cịn cĩ một số lồi vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Cyronebacterium, Streptomyces…
Vi sinh vật oxy hố các acid béo
Việc phân huỷ các acid béo được thực hiện nhờ quá trình oxy hố. Acid béo dưới sự xúc tác của enzyme axyl – CoA – cintetaza, CoA và ATP sẽ được hoạt hố và tạo thành Acyl – CoA chứa các liên kết cao năng. Sau đĩ chất trung gian này được tiếp tục phân giải qua các bước oxy hố,cứ qua một bước oxy hố hồn tồn chuỗi phân tử của acid béo lại mất đi 2 cacbon, cuối cùng tồn bộ chuỗi cacbon bị chuyển hố thành acetyl – CoA. Chất này tiếp tục được oxy hố thơng qua chu trình Krebs để tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O.
Nhiều loại nấm mốc thuộc các chi Penicillium và Aspergillus và các lồi nấm Leptomitus lacteus, Fusarium aquaeducturm cĩ thể oxy hố acid béo một cách triệt
4.3.3 Một số vi sinh vật chỉ thị trong các cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí phương pháp sinh học hiếu khí
Trùng biến hình (trùng chân giả)
Đặc điểm: Hình dạng rất phong phú, kích thước từ 10 - 200μm và di chuyển bằng chân giả. Một số lồi cĩ vỏ cứng, trên cĩ các vân như hoa văn nên người ta gọi là
trùng biến hình cĩ vỏ, ví dụ như Arcella thường gặp trong bùn hoạt tính.
Vai trị: Trùng biến hình phát triển mạnh dựa trên một số loại vật chất hữu cơ đặc thù và cĩ khả năng chịu được những mơi trường cĩ oxi hồ tan thấp. Do đĩ một sự nở rộ các lồi trùng biến hình cĩ thể chỉ thị trong nước thải cĩ một lượng lớn các